【摘要】：固體激光制冷又被稱為光學(xué)制冷,是一種利用激光誘導(dǎo)的反斯托克斯熒光對稀土離子摻雜固體或半導(dǎo)體材料進(jìn)行制冷的技術(shù)。由于其具有緊湊、無振動、無電磁干擾和無污染等優(yōu)點,可應(yīng)用于航天器搭載的電子裝置的局部制冷,因而受到研究者們的廣泛關(guān)注。在過去的20年中,光學(xué)制冷研究已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。但是,為了實現(xiàn)其具體應(yīng)用,當(dāng)前光學(xué)制冷的性能仍有待于提高,工作波長范圍仍有待于拓展。本文以稀土離子摻雜氟化物晶體為例,開展固體激光制冷新機(jī)制研究,在完善Ho~(3+)光學(xué)制冷理論的基礎(chǔ)上,給出若干種改進(jìn)光學(xué)制冷性能的理論模型,包括雙頻泵浦加強(qiáng)的Ho~(3+)光學(xué)制冷,能量傳遞加強(qiáng)的光學(xué)制冷,以及雙脈沖泵浦增強(qiáng)的超輻射光學(xué)制冷。首先,基于對Ho~(3+)摻雜氟化物晶體發(fā)射光譜的分析,將現(xiàn)有的光學(xué)制冷模型進(jìn)行推廣,使其能更加精確地描述Ho~(3+)光學(xué)制冷過程,并以此模型為基礎(chǔ),導(dǎo)出上轉(zhuǎn)換輔助光學(xué)制冷的判據(jù)條件。結(jié)合Ho~(3+):YLiF4晶體的光譜參數(shù),數(shù)值模擬Ho~(3+)光學(xué)制冷過程,給出不同背景吸收條件下,制冷功率密度和制冷效率隨泵浦光強(qiáng)及摻雜濃度的變化關(guān)系;以及不同泵浦波長條件下的最大制冷功率密度和相應(yīng)的最佳摻雜濃度。接著,研究雙頻泵浦加強(qiáng)的Ho~(3+)光學(xué)制冷。根據(jù)Ho~(3+)離子的能級特點,分析各躍遷通道的產(chǎn)熱情況,闡明雙頻泵浦對Ho~(3+)光學(xué)制冷性能的改進(jìn)作用。為雙頻泵浦的Ho~(3+)光學(xué)制冷進(jìn)行理論建模,導(dǎo)出制冷功率密度和制冷效率的表達(dá)式。并針對背景吸收,指出雙頻泵浦機(jī)制的適用范圍。結(jié)合Ho~(3+):YLiF4晶體的光譜參數(shù),給出不同摻雜濃度樣品中,制冷功率密度和制冷效率隨兩種頻率的泵浦激光光強(qiáng)的變化關(guān)系;最大制冷功率密度,以及相應(yīng)的制冷效率和最優(yōu)泵浦光強(qiáng)。然后,研究能量傳遞加強(qiáng)的光學(xué)制冷。通過分析比對Ho~(3+)單摻和Ho~(3+),Tm~(3+)雙摻氟化物晶體在負(fù)調(diào)諧泵浦條件下的發(fā)射光譜,粗略推算Ho~(3+)→Tm~(3+)能量傳遞過程對系統(tǒng)制冷效率的提升幅度。根據(jù)能量傳遞的速率方程理論對Ho~(3+)-Tm~(3+)能量傳遞光學(xué)制冷進(jìn)行理論建模,導(dǎo)出制冷功率密度和制冷效率的解析表達(dá)式。分析能量傳遞系數(shù)、摻雜濃度、泵浦光強(qiáng)和波長等對雙摻光學(xué)制冷系統(tǒng)性能的影響。結(jié)合Ho~(3+),Tm~(3+):YLiF4晶體的光譜參數(shù),數(shù)值模擬Ho~(3+)-Tm~(3+)光學(xué)制冷系統(tǒng)的制冷功率密度和制冷效率隨共振吸收功率密度的變化關(guān)系,并與傳統(tǒng)Ho~(3+)光學(xué)制冷的情況作對比。利用能量傳遞的平衡參數(shù),給出能量傳遞制冷增強(qiáng)幅度隨溫度的變化規(guī)律。最后,研究雙脈沖泵浦增強(qiáng)的超輻射光學(xué)制冷。在闡明超輻射光學(xué)制冷基本原理的基礎(chǔ)上,分析雙脈沖泵浦機(jī)制較之連續(xù)-脈沖泵浦機(jī)制的優(yōu)勢所在。從閉合λ能級系統(tǒng)的動力學(xué)方程出發(fā),導(dǎo)出密度矩陣元的解析解。結(jié)合Yb~(3+):YLiF4,Tm~(3+):YILiF4和Ho~(3+):YLiF4晶體的光譜參數(shù),數(shù)值模擬利用兩種泵浦機(jī)制實現(xiàn)的超輻射光學(xué)制冷過程,給出超輻射光學(xué)制冷功率隨溫度的變化規(guī)律。根據(jù)面積定理推算適宜超輻射光學(xué)制冷的樣品尺寸。討論采用不同泵浦能級對系統(tǒng)制冷表現(xiàn)的影響,通過合理的近似和理論推導(dǎo)給出超輻射光學(xué)制冷泵浦能級的優(yōu)化選擇依據(jù)。
[Abstract]:Solid laser refrigeration, also known as optical refrigeration, is a technology that uses laser induced anti Stokes fluorescence to refrigerate the solid or semiconductor materials doped with rare earth ions. Because of its advantages of compact, no vibration, no electromagnetic interference and no pollution, it can be applied to the local refrigeration of the electronic device carried by the aeronautical device. In the past 20 years, the research of optical refrigeration has made great progress. However, in order to realize its application, the performance of optical refrigeration still needs to be improved and the range of working wavelength still needs to be expanded. On the basis of improving the theory of Ho~ (3+) optical refrigeration, some theoretical models for improving the performance of optical refrigeration are given, including double frequency pumped Ho~ (3+) optical refrigeration, energy transfer enhanced optical refrigeration, and double pulse pumping enhanced ultra radiation light refrigeration. First, based on the emission of Ho~ (3+) doped fluoride crystals The existing optical refrigeration model is popularized to make it more accurate to describe the Ho~ (3+) optical refrigeration process. Based on this model, the criterion conditions of the upconversion auxiliary optical refrigeration are derived. Combined with the spectral parameters of Ho~ (3+): YLiF4 crystal, the Ho~ (3+) optical refrigeration process is numerically simulated, and the different background absorption conditions are given. The relationship between the cooling power density and the cooling efficiency with the change of the pump light intensity and the doping concentration; and the maximum cooling power density and the corresponding optimum doping concentration under different pumping wavelengths. Then, the Ho~ (3+) optical refrigeration strengthened by double frequency pump is studied. The heat production of various transition channels is analyzed according to the energy level characteristics of Ho~ (3+) ions. The effect of the dual frequency pump on the performance of Ho~ (3+) optical refrigeration is improved. A theoretical modeling for the dual frequency pumped Ho~ (3+) optical refrigeration is made. The expression of the power density and efficiency of the refrigeration is derived. The application range of the dual frequency pump mechanism is pointed out. The application range of the dual frequency pumping mechanism is pointed out. The different doping concentration samples are given with the spectral parameters of the Ho~ (3+): YLiF4 crystal. In the product, the relationship between the cooling power density and the cooling efficiency with the intensity of the pumped laser at two frequencies; the maximum refrigeration power density, the corresponding refrigeration efficiency and the optimal pump light intensity. Then, the optical refrigeration of the enhanced energy transfer is studied. By analyzing the ratio of Ho~ (3+) and Ho~ (3+), Tm~ (3+), double doped fluoride crystals in negative tuning pumps The emission spectrum of the Ho~ (3+) - Tm~ (3+) energy transfer process is roughly calculated. The theoretical modeling of Ho~ (3+) -Tm~ (3+) energy transfer optical refrigeration is modeled based on the rate equation theory of energy transfer, and the analytical expression of the refrigeration power density and refrigeration efficiency is derived. The energy transfer coefficient is analyzed, and the addition of the energy transfer coefficient is analyzed. The influence of impurity concentration, pumping intensity and wavelength on the performance of the dual optical refrigeration system. Combined with the spectral parameters of Ho~ (3+), Tm~ (3+): YLiF4 crystal, the relation between the cooling power density and the refrigeration efficiency of the Ho~ (3+) -Tm~ (3+) optical refrigeration system with the change of the resonance absorption power density is numerically simulated and compared with the traditional Ho~ (3+) optical refrigeration. Using the equilibrium parameters of energy transfer, the law of the amplitude of energy transfer enhancement with the temperature is given. Finally, the double pulse pump enhanced ultra radiation optical refrigeration is studied. On the basis of clarifying the basic principle of the ultra radiation optical refrigeration, the advantages of the double pulse pump mechanism are compared with that of the continuous pulse pump mechanism. The analytic solution of the density matrix element is derived from the kinetic equation of the stage system. Combining the spectral parameters of Yb~ (3+): YLiF4, Tm~ (3+), YILiF4 and Ho~ (3+): YLiF4 crystal, the ultra radiation optical refrigeration process is simulated by two kinds of pumping mechanism, and the power of ultra radiation optical refrigeration is changed with the temperature. It is suitable for the sample size of ultra radiation optical refrigeration. The effect of different pump energy levels on the performance of the system is discussed. The optimum selection basis for the pump energy level of the ultra radiant optical refrigeration is given through reasonable approximation and theoretical deduction.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN249

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李修;陳秀艷;;不同泵浦參數(shù)對泵浦光強(qiáng)分布影響的模擬分析[J];北京印刷學(xué)院學(xué)報;2011年02期

2 彭X墀 ,謝常德;用散射套管改善泵浦光分布均勻性[J];山西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1978年01期

3 陳炎興;李元康;黃鎮(zhèn)江;范滇元;;光束方法計算固體激光棒內(nèi)泵浦能的分布[J];激光;1980年03期

4 陳文駒,林美蓉;泵浦/探測增益光譜學(xué)[J];量子電子學(xué);1986年04期

5 余有龍,許克彬,徐海英,袁洋,趙振宇;自泵浦位相共軛反射的實驗研究[J];光學(xué)學(xué)報;1991年11期

6 邱文法;陶瓷泵浦腔的實驗研究[J];激光雜志;1994年04期

7 阮NB;寧提綱;裴麗;胡旭東;;高功率雙包層光纖激光器的泵浦技術(shù)[J];光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù);2009年01期

8 商繼敏;陳鵬;王石語;;泵浦光對固體激光器光束質(zhì)量的影響[J];應(yīng)用激光;2012年03期

9 張華,徐世祥,范滇元;用蒙特卡羅方法計算棒狀放大器內(nèi)的泵浦能量分布[J];光學(xué)學(xué)報;1997年12期

10 彭X墀,謝常德;用散射套管改善泵浦光分布的均勻性[J];激光;1978年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 朱曉寧;鄭磊;李巨浩;丁偉;張利劍;陳章淵;;引入二階泵浦后不同泵浦方式拉曼放大器性能比較[A];全國第十一次光纖通信暨第十二屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議（OFCIO’2003）論文集[C];2003年

2 朱志武;馮瑩;魏立安;官慶;姜廣文;;多點泵浦雙包層光纖激光器理論以及數(shù)值分析[A];光電技術(shù)與系統(tǒng)文選——中國光學(xué)學(xué)會光電技術(shù)專業(yè)委員會成立二十周年暨第十一屆全國光電技術(shù)與系統(tǒng)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

3 康琦;;浮力對流對晶體材料生長的影響[A];西部大開發(fā) 科教先行與可持續(xù)發(fā)展——中國科協(xié)2000年學(xué)術(shù)年會文集[C];2000年

4 洪茂椿;;光電子晶體材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路[A];第14屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

5 薛冬峰;;晶體材料的設(shè)計與模擬[A];第14屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

6 孫云;王圣來;丁健旭;牟曉明;;晶體材料力學(xué)測試方法調(diào)研[A];第15屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年

7 蔣民華;;功能晶體材料的發(fā)展[A];第五屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集Ⅰ[C];2004年

8 孫威;孫桂芳;張澤;侯碧輝;;CdGd_2(WO_2)_4晶體的高分辨電子顯微研究[A];2005年全國電子顯微學(xué)會議論文集[C];2005年

9 于吉紅;;分子篩多孔晶體材料的定向設(shè)計與合成[A];第十二屆固態(tài)化學(xué)與無機(jī)合成學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2012年

10 馬菲;于龍江;王鵬;艾希成;大友征宇;張建平;;嗜熱菌Thermochromatium tepidum核心復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與超快能量傳遞和電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)研究[A];第十一次中國生物物理學(xué)術(shù)大會暨第九屆全國會員代表大會摘要集[C];2009年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 單小書;市領(lǐng)導(dǎo)會見晶體材料專家[N];撫順日報;2007年

2 本報記者 張永強(qiáng);寶石磨礪始出彩[N];中國人事報;2007年

3 記者 蔡忠仁;福建成立光電晶體材料基地[N];中國化工報;2010年

4 本報實習(xí)記者 吳英華;山大華特主營瞄準(zhǔn)晶體產(chǎn)業(yè)[N];中國證券報;2002年

5 任霄鵬;可存儲清潔能源的最輕晶體材料誕生[N];人民政協(xié)報;2007年

6 微聞;導(dǎo)電不導(dǎo)熱新式晶體材料研制成功[N];中國電子報;2003年

7 蘇藍(lán);江陰晶體：十年磨一劍[N];科技日報;2001年

8 王玲;對社會正能量傳遞的思考[N];金融時報;2014年

9 本報記者 危兆蓋 李曉東;“微成都”：正能量傳遞的新路徑[N];光明日報;2013年

10 記者 張梅;碲鋅鎘晶體材料技術(shù)在我省取得重大突破[N];陜西日報;2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 董廣宗;基于稀土摻雜氟化物晶體的激光制冷新機(jī)制研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2015年

2 朱學(xué)華;大口徑非聚焦泵浦的受激布里淵散射閾值及脈沖壓縮研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 譚祺瑞;大模場雙包層光纖側(cè)面泵浦耦合關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2016年

4 王子健;1064nm主振蕩功率放大泵浦PPMgLN中紅外光學(xué)參量振蕩器研究[D];長春理工大學(xué);2016年

5 黃值河;分布式側(cè)面耦合包層泵浦光纖激光器研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

6 胡名科;太陽能集熱和輻射制冷綜合利用的理論和實驗研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

7 朱麗麗;(D)ADP晶體生長及基本性質(zhì)研究[D];山東大學(xué);2015年

8 楊磊;功能晶體材料相穩(wěn)定性與相變的理論研究[D];山東大學(xué);2015年

9 鐵貴鵬;KDP晶體單點金剛石車削關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

10 鄭東陽;RE(RE=Nd，Ho，，Tm)： LiYF_4激光晶體生長及性能研究[D];長春理工大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王艷雪;強(qiáng)激光長程傳輸過程中受激轉(zhuǎn)動拉曼散射近場特性的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 徐賽;LD泵浦3微米Er固體激光器輸出特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 錢傳鵬;8微米ZGP級聯(lián)OPA實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

4 陳辰;基于腔內(nèi)泵浦全固態(tài)三波長激光器的研究[D];長春理工大學(xué);2015年

5 王妍;基于腔內(nèi)泵浦技術(shù)的雙波長和頻482.5nm藍(lán)光連續(xù)激光器的研究[D];長春理工大學(xué);2015年

6 韓鎏;1.94微米泵浦Ho:YVO_4晶體調(diào)Q激光特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

7 李昊洋;腔內(nèi)泵浦雙波長激光器的諧振腔設(shè)計[D];長春理工大學(xué);2014年

8 王寧;基于摻釹納米顆粒流體激光器的理論分析及性能研究[D];南京郵電大學(xué);2015年

9 黃雪松;LD泵浦Nd:YAG/Cr~(4+):YAG被動調(diào)Q微型激光器研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2016年

10 韓金j;脈沖LD側(cè)面泵浦棒狀Nd:YAG激光器的時變熱效應(yīng)研究[D];長春理工大學(xué);2016年

本文編號：2169712